[[alternative]]Design and synthesis of 5CB derivatives for the applications of liquid crystal-based biosensors

Abstract

碩士[[abstract]]液晶感測系統(LC-based sensor system)是一種利用液晶分子當作光學訊號輸出源的新型感測器系統。由於它在一般光線下就可以得到彩色的訊號，因此可輕易判讀結果並適合可攜式檢測。現今以向列型液晶4-戊基-4’-氰基聯苯 (4-pentyl-4’cyanobiphenyl，5CB) 作為訊號偵測被應用大部分的液晶感測器型系統研究上。而目前為止，研究液晶分子的化學結構對於液晶型感測器系統的影響是相當罕見的。在我們的研究中，我們利用有機合成方法製備出12個5CB之衍生物。我們測量這些5CB衍生物的熔點及光物理性質，最後我們將這些衍生物摻雜入5CB液晶分子中，並且將這些混合的液晶分子應用於液晶型感測器中，藉由這樣的方法我們觀察是否能夠增加感測器的偵測極限。[[abstract]]In most of the researches on liquid crystal (LC)-based sensor system, nematic LC 4-cyano-4''-pentylbiphenyl (5CB) is applied as the signal reporter. So far, the study on how the chemical structure of the LC molecules to affect the result of LC-based sensor system is considerably rare. In our study, we used method of the organic synthesis to preparing 12 kinds of 5CB derivatives. We measured the melting point and photophysical properties of these 5CB derivatives. Finally, we dope these derivatives into 5CB LC molecules, and these mixed LC molecules are applied in LC-based sensor system. By this way, we observed whether it could increase the detection limit of the LC-based sensor sensors or not.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 目錄 Ⅲ 圖表目錄 Ⅶ 附圖目錄 Ⅻ 第一章 緒論 1 1-1液晶的簡介 1 1-1-1液晶的由來 1 1-1-2液晶形成的條件 3 1-1-3液晶的種類 4 1-1-4液晶的排列 5 1-2 液晶型分析檢測方法 10 1-2-1 液晶型分析檢測機制 10 1-2-2 液晶型檢測方法介紹 13 1-2-2-1 液晶-固體介面 13 1-2-2-2 液晶-水溶液介面 15 1-2-2-3液晶液滴 17 1-3 4-戊基-4’-氰基聯苯 18 1-4 研究動機 20 1-5 總結 23 第二章 實驗合成與實驗儀器 24 2-1實驗合成策略 24 2-2合成路徑 25 2-2-1 5CB側邊含氧官能基修飾取代 25 2-2-2 5CB側邊含氮官能基修飾取代 27 2-2-3 5CB尾端dicyano修飾取代 28 2-2-4 5CB尾端含氮和硫官能基修飾取代 30 2-3液晶元件製備 33 2-3-1 液晶-固體介面之液晶元件 33 2-3-1-1 製備DMOAP修飾的載玻片 33 2-3-1-2 製備醛基修飾的載玻片 33 2-3-1-3 製備human IgG蛋白質溶液 34 2-3-1-4 製備液晶-固體介面之液晶元件 34 2-3-2 液晶-水溶液介面之液晶元件 35 2-3-2-1製備汞金屬水溶液 35 2-3-2-2 製備液晶-水溶液介面之液晶元件 35 2-4實驗藥品 36 2-5 實驗基本條件 38 2-6 溶劑乾燥方法 39 2-7 實驗儀器 40 第三章 結果與討論 43 3-1合成討論 43 3-1-1 5CB側邊含氧官能基修飾衍生物 43 3-1-2 5CB側邊含氮官能基修飾衍生物 46 3-1-3 5CB尾端dicyano修飾衍生物 51 3-1-4 5CB尾端含氮和硫官能基修飾衍生物 53 3-2化合物結構與熔點 59 3-3 5CB衍生物之液晶相討論 60 3-4 5CB衍生物之UV吸收光譜 62 3-4-1 化合物結構對吸收光譜的影響 62 3-4-1-1 5CB與側邊含氧化合物之比較 62 3-4-1-2 5CB與側邊含氮化合物之比較 63 3-4-1-3 5CB與尾端dicyano修飾化合物之比較 65 3-4-1-4 5CB和尾端含氮、硫化合物之比較 66 3-4-2 溶劑的影響 67 3-5 5CB衍生物於液晶型生物感測器之應用 72 3-5-1 側邊修飾應用於液晶-固體介面 72 3-5-2 尾端含氮及硫化合物應用於液晶-水溶液介面 75 第四章 結論 78 第五章 實驗步驟 81 參考資料 112 附圖 115 圖表目錄 圖1-1液晶分子示意圖 1 圖1-2液晶的特殊光學訊號 2 圖1-3液晶分子的構造 4 圖1-4熱致型液晶結構與示意圖 5 圖1-5向列型液晶示意圖 6 圖1-6層列型液晶示意圖 7 圖1-7膽固醇液晶示意圖 8 圖1-8圓盤型液晶示意圖 9 圖1-9液晶型分析檢測機制 11 圖1-10顯微鏡中交叉偏光片原理示意圖 12 圖1-11 DMOAP結構 14 圖1-12 液晶-固體介面示意圖 15 圖1-13 液晶-水溶液介面示意圖 16 圖1-14液晶液滴示意圖及光學訊號圖 18 圖1-15 4-戊基-4’-氰基聯苯 (4-pentyl-4’cyanobiphenyl) 之結構 18 圖1-16 4-戊基-4’-氰基聯苯 (4-pentyl-4’cyanobiphenyl) 的合成路徑 19 圖1-17 5CB官能基修飾化合物 22 圖2-1 Grignard反應示意圖 24 圖2-2 Friedel-Crafts醯化反應與Wolff-Kishner-Huang還原反應示意圖 25 圖2-3 鈴木偶聯反應之反應式 25 圖2-4 側邊-OMe及-OH取代步驟圖 26 圖2-5 側邊-NO2及-NH2取代步驟圖-1 27 圖2-6 側邊-NO2及-NH2取代步驟圖-2 28 圖2-7 尾端dicyano取代步驟圖-1 28 圖2-8 尾端dicyano取代步驟圖-2 29 圖2-9 尾端-NH2取代步驟圖 30 圖2-10 尾端-SH和-SMe取代步驟圖-1 31 圖2-11 尾端-SH和-SMe取代步驟圖-2 32 圖2-12 液晶元件製備流程 35 圖2-13 液晶元件製備流程 36 圖3-1 欲合成5CB側邊含氧官能基修飾衍生物 43 圖3-2 化合物2a及2b的製備 44 圖3-3 化合物3的製備 44 圖3-4 化合物4a和4b的製備 45 圖3-5 化合物5C-OMe和6C-OMe的製備 45 圖3-6化合物5C-OH和6C-OH的製備 46 圖3-7欲合成5CB側邊含氮官能基修飾衍生物 46 圖3-8 化合物6的製備 47 圖3-9 欲合成化合物9的路徑 48 圖3-10 化合物7的製備 48 圖3-11 化合物8a和8b的製備 49 圖3-12 化合物o-NO2和m-NO2的製備 49 圖3-13 化合物o-NH2和m-NH2的製備 50 圖3-14 化合物12的製備 51 圖3-15 化合物13的製備 51 圖3-16 化合物dicyano的製備 52 圖3-17 欲合成5CB尾端含氧、硫官能基修飾衍生物 53 圖3-18 化合物15的製備 53 圖3-19 化合物NH2的製備 54 圖3-20 化合物16的製備 54 圖3-21 化合物18的製備 55 圖3-22 化合物SMe的製備 55 圖3-23 欲合成化合物SH的路徑 56 圖3-24 化合物19的製備 56 圖3-25 化合物SH的製備 57 圖3-26 化合物之熔點溫度 58 圖3-27 在化合物 (左上)5C-OH、(右上)5C-OMe、(左下)6C-O和 (右下)6C-OMe熔點下之DSC圖 60 圖3-28 在化合物 (左上)o-NO2、(右上) o-NH2、(左下) m-NO2和 (右下)m-NH2熔點下之DSC圖 60 圖3-29 在化合物 (左上) dicyano、(右上)NH2、(左下)SH和 (右下) SMe熔點下之DSC圖 61 圖3-30 5CB與含氧化合物之UV-Vis光譜 63 圖3-31 化合物o-NO2和m-NO2之UV-Vis光譜 64 圖3-32 化合物o-NH2和m-NH2之UV-Vis光譜 65 圖3-33 不同位相化合物NO2和NH2之UV-Vis光譜 65 圖3-34 化合物dicyano之UV-Vis光譜 66 圖3-35 尾端含氮、硫化合物之UV-Vis光譜 67 圖3-36 5CB之UV-Vis光譜 68 圖3-37 化合物5C-OH、5C-OMe、6C-OH、6C-OMe之UV-Vis光譜 69 圖3-38 化合物o-NO2、o-NH2、m-NO2、m-NH2之UV-Vis光譜 70 圖3-39 化合物dicyano之UV-Vis光譜 71 圖3-40 化合物NH2、SH、SMe之UV-Vis光譜 72 圖3-41 側邊含氧取代衍生物應用於液晶型生物感測器之光學訊號 73 圖3-42 側邊含氮取代衍生物應用於液晶型生物感測器之光學訊號 74 圖3-43 尾端dicyano修飾衍生物應用於液晶型生物感測器之光學訊號 75 圖3-44 摻雜化合物NH2之液晶感測器光學訊號 76 圖3-45 摻雜化合物SH之液晶感測器光學訊號 77 附圖目錄 附圖1. 化合物2a之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 115 附圖2. 化合物2b之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 115 附圖3. 化合物4a之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 116 附圖4. 化合物4b之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 116 附圖5. 化合物5C-OMe之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 117 附圖6. 化合物5C-OMe之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 117 附圖7. 化合物5C-OH之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 118 附圖8. 化合物5C-OH之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 118 附圖9. 化合物6C-OMe之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 119 附圖10. 化合物6C-OMe之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 119 附圖11. 化合物6C-OH之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 120 附圖12. 化合物6C-OH之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 120 附圖13. 化合物6之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 121 附圖14 化合物7之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 121 附圖15 化合物8a之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 122 附圖16 化合物8b之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 122 附圖17 化合物o-NO2之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 123 附圖18 化合物o-NO2之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 123 附圖19 化合物m-NO2之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 124 附圖20 化合物o-NO2之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 124 附圖21 化合物o-NH2之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 125 附圖22 化合物o-NH2之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 125 附圖23 化合物m-NH2之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 126 附圖24 化合物m-NH2之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 126 附圖25 化合物11之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 127 附圖26 化合物12之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 127 附圖27 化合物13之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 128 附圖28 化合物14之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 128 附圖29 化合物14之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 129 附圖30 化合物dicyano之1H-NMR圖譜 (600 MHz, acetone-d6) 129 附圖31 化合物dicyano之13C-NMR圖譜 (600 MHz, acetone-d6) 130 附圖32 化合物15之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 130 附圖33 化合物NH2之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 131 附圖34 化合物NH2之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 131 附圖35 化合物18之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 132 附圖36 化合物SMe之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 132 附圖37 化合物SMe之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 133 附圖38 化合物19之1H-NMR圖譜 (300 MHz, CDCl3) 133 附圖39 化合物SH之1H-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 134 附圖40 化合物SH之13C-NMR圖譜 (600 MHz, CDCl3) 134[[note]]學號: 601160434, 學年度: 10